Biowidrogeno realisticamente: fermentazione scura, reforming del biogas e elettrolisi presso l’impianto di biogas

L’idrogeno viene spesso presentato come la soluzione che sostituirà tutto o come una tecnologia che non sarà mai conveniente. La verità sta nel mezzo e dipende dall’applicazione. L’idrogeno da biomassa e rifiuti, chiamato biowidrogeno, è uno degli elementi del mosaico energetico che può avere senso laddove esiste un utente finale e la materia prima è economica e locale. In una giornata dedicata all’autosufficienza energetica, conviene valutarlo senza entusiasmo e senza pregiudizi, sulla base di un bilancio.

Tre cose diverse sotto un unico nome

Il concetto di «biowidrogeno» comprende tre percorsi distinti, con diversi livelli di maturità. Una panoramica generale è disponibile nel post Biowidrogeno: cosa significa davvero e quali sono le vie di produzione. Di seguito li analizziamo in relazione alla loro utilità nei pressi di un impianto di biogas.

Fermentazione scura: interessante, ma ancora in fase iniziale

Nella fermentazione scura, i batteri decompongono gli zuccheri senza luce e ossigeno, producendo idrogeno e acidi grassi volatili. Il limite teorico è di quattro moli di H₂ per mole di glucosio, corrispondente alla via metabolica con acido acetico; con la via dell’acido butirrico, si ottengono due moli. In pratica, quando si formano anche altri prodotti (ad esempio lattati, etanolo) e parte dell’idrogeno viene consumata in reazioni collaterali, la resa è notevolmente inferiore, orientativamente nell’ordine di uno o due moli. Rimangono gli acidi, nei quali è ancora contenuta la maggior parte dell’energia del substrato, perciò il concetto a due stadi combina la fase idrogenica con una seconda fase metanigena. Il vantaggio è l’utilizzo di rifiuti ricchi di zuccheri facilmente degradabili, lo svantaggio è l’instabilità del processo, la bassa concentrazione di idrogeno nel gas e il costo della sua purificazione. I dettagli sono descritti nel post Fermentazione scura: idrogeno dai rifiuti organici, resa e limitazioni. La tecnologia si trova nella fase di ricerca e progetti pilota; a livello industriale, oggi non è ancora ampiamente diffusa.

Reforming del biogas e del biometano

Il reforming a vapore trasforma il metano e il vapore acqueo in idrogeno e CO₂. Tecnicamente, si tratta di un processo maturo, noto nell’industria del gas naturale, e alimentato da biometano o biogas produce idrogeno da fonte rinnovabile. Tuttavia, ogni mole di metano che convertiamo in idrogeno viene persa come biometano, e l’efficienza della conversione è inferiore al 100%. Questo processo ha senso quando:

• l’utente finale necessita di idrogeno e non di metano, ad esempio in un processo industriale,
• è possibile catturare e valorizzare la CO₂ prodotta, che è di origine biogenica,
• la mancanza di accesso alla rete del gas rende impossibile la vendita del biometano.

Il bilancio è descritto nel post Reforming a vapore del biogas e del biometano in idrogeno: bilancio e CO₂. Un esempio di integrazione di liquame, biometano e idrogeno in Giappone è illustrato nel post Shikaoi a Hokkaido.

Elettrolisi presso l’impianto di biogas

L’elettrolizzatore scompone l’acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando energia elettrica. Presso un impianto di biogas offre tre ulteriori possibilità: l’utilizzo dell’ossigeno (ad esempio per la micro-ossigenazione della desolforazione o per il post-trattamento delle acque), il calore di scarto dell’elettrolizzatore e la combinazione dell’idrogeno con la CO₂ biogenica nella metanazione, come descritto nel testo Metanazione e power-to-gas con CO₂ biogenica. Tuttavia, l’idrogeno da elettrolisi è tanto rinnovabile quanto lo è l’elettricità utilizzata, e il regolamento delegato 2023/1184 stabilisce condizioni per i combustibili rinnovabili di origine non biologica (RFNBO), come l’addizionalità e la correlazione temporale. Il consumo energetico di un elettrolizzatore è orientativamente nell’ordine di 50–55 kWh per chilogrammo di idrogeno (valore approssimativo, dipendente dalla tecnologia e dalle condizioni operative), con un potere calorifico dell’idrogeno di circa 33 kWh/kg. Ciò significa che il costo dell’energia elettrica e il numero di ore di funzionamento determinano la convenienza economica. Con un funzionamento sporadico nei periodi di surplus economici, il costo del capitale si distribuisce su una quantità ridotta di prodotto.

Dove l’idrogeno ha senso e dove ancora no

Il principio guida: l’idrogeno ha senso laddove esiste un utente finale concreto e non come fine a sé stesso. Nella maggior parte degli impianti di biogas agricoli, il biometano o l’energia elettrica e il calore garantiranno un risultato migliore, mentre l’idrogeno emergerà quando il mercato e la tecnologia saranno maturi.

Dipendenza e indipendenza

L’idrogeno non è un combustibile primario: deve essere prodotto, e ciò richiede energia o materia prima. Il suo contributo all’autosufficienza di un Paese dipende quindi dall’origine di questi input. L’idrogeno da rifiuti nazionali e da energia rinnovabile nazionale può essere un elemento di indipendenza locale; l’idrogeno prodotto da gas importato la indebolisce. È doveroso sottolineare che, per le decisioni chiave, manca ancora una lunga esperienza operativa. Per questo motivo, vale la pena osservare i progetti pilota, imparare dai loro risultati e non promettere più di quanto confermato dalle misurazioni.

Post della serie da rileggere: L’indipendenza energetica inizia localmente e Il biometano come combustibile nazionale.